无铅焊接工艺技术
1．无铅焊接技术的发展趋势
在传统的电子产品焊接工艺中，普遍都是使用含铅焊料，以至于大量的铅毒 存在于我们日常使用的电子产品中。由于铅及其化合物属剧毒物质，容易污染地下水及土壤，给人类的生存环境带来严重危害，特别是对儿童的脑发育。随着电子工业的快速发展，被废弃的电器制品将逐年增多，电子工业中电路板焊接使用的焊料几乎都含有铅。其污染地下水和土壤，成为环境问题，近年来已引起人们的特别关注，特别是在发达国家。
（1）欧洲议会决议： 欧洲电子工业计划在2004年1月全面禁止含铅焊料的使用，在公元2004年欧美将全力导入无铅锡膏的制程。
（2）日本ＮＥＣ、SONY 、松下、富士通、东芝等大型电子厂家在公元2000年已开始导入无铅锡膏的制程。
（3）在中国，由于很多电子厂家是做欧美及日本的OEM 订单，越来越多地被他们的客户要求使用无铅焊料。
（4）同时更多的公司在申请ISO14000认证时，都被要求使用对环境无害的原料和技术。
（5）在环境保护这个大前提下，法规和市场因素将起着更直接的作用。中国在加入WTO 以后，也必将响应、加强世界环保条约。
因此，出于对环保的考虑，铅在21世纪将被严格限用。未来的市场发展趋势是使用含铅焊料的电子产品将无法进入国际市场。对于电子组装企业来说，无铅焊接技术的应用已经是摆在面前必须解决的现实问题。
2．无铅焊接技术的工艺特点
无铅焊接工艺与传统Sn-Pb 合金焊接工艺不同。如熔点在183℃的Sn/Pb含铅 焊料，其完全液化温度在205~215℃之间；一般PCB 允许的最高温度在230~240℃。
采用无铅焊接工艺，因所使用的无铅焊料（目前已开发出来的）大多数合金熔点比传统的63Sn37Pb 合金高40℃左右，熔点温度在195℃~227℃之间，完全液化
温度在240℃~250℃之间，这就意味着回流焊必须在更高的温度下进行；而PCB 允许的最高温度必须保持不变，否则会超过PCB 的材质许可温度（240℃），使PCB 损坏。
3．无铅焊接工艺对回流焊设备的要求
无铅回流焊接要求PCB 上元件脚与PCB 板面的温差△T 只有5~15℃，工艺余 量较小且需保持液化时间较长（达60～90s ），焊接时间较长，对温度均匀性要求更高。传统含铅焊料保持液化时间为40~60s，另外大多数无铅焊料浸润性较含铅焊料差。对熔融温度高的无铅焊料，焊接中要获得合格的接合点，必须提高焊接操作温度，在设定焊接温度时，同时又要考虑到贴装元件的耐热性、基板的受热变形因素避免由于温度不足发生的焊接不良。
无铅焊接在回流焊上的应用如果只是将现有回流焊温度设高，会导致PCB 及PCB 上的部分元件因温度过高而烧坏，因此必须保持PCB 上所有部位的温度尽可能一致，板上各元件的△T （温差）尽可能小，这就要求炉膛内的温度分布要十分均匀，且加热效率要非常高。
针对无铅焊接的特殊工艺要求，日东公司对回流焊设备目前的解决办法是：（1）通过具有日东专利技术的增压式加热设计使各温区的温度场更均匀一致；（2
）采用
双面加热的方式，在炉膛内形成双回流区，提高加热效率；（3）针对无铅焊料焊接温度高、时间长、焊点容易氧化且浸润性变差等特点，配有惰性气体保护装置，在惰性气体环境下进行焊接。
a. 在回流焊中使用惰性气体保护，由于价格方面的考虑，一般都是选择氮气。氮气回流焊具有以下优点：
（1） 防止和减少氧化。
（2） 提高焊接润湿力，加快润湿速度。
（3） 减少锡球的产生，避免桥接，得到良好的焊接质量。
如使用更低活性助焊剂的锡膏，对提高焊点的性能、减少基材的变色会更有帮助，只是成本要有明显的增加。因为要使炉内达到1000PPM 与50PPM 的含氧量，对氮气的需求是有天壤之别的。
b . 无铅回流焊用焊锡膏的选择要求：
无铅焊锡膏的液相温度应低于回流焊接时的极限温度。人们普遍认为合金回 流焊温度越接近220℃效果越好，能避免出现较高回流焊温度是最理想不过的。因为这样能使元件的受损程度降到最低，最大减小对特殊元件的要求，同时还能将电路板变色和发生翘曲的程度降到最低，并避免焊盘和导线过度氧化。
因为金属成本在回流焊使用的焊锡膏制造流程总成本中所占比重较少，选择焊锡膏的主要要求是尽量降低回流焊温度。
经过试验，在所选替代Sn/Pb合金的方案中96.5Sn/3.0Ag/0.5Cu(熔点217~219℃) 和97Sn/3Ag（熔点221℃）液相温度最低，是目前无铅回流焊推荐使用的焊锡膏。这两种合金都是较为合适的选择并各具特点，相比之下96.5Sn/3.0Ag/0.5Cu合金的液相温度更低（虽然只低4℃），而Sn/Ag合金则表现出更强的一致性和可重复制造性，并已在电子业界应用多年，一直保持很好的可靠性。有些主要跨国公司已经选择共晶Sn/Ag合金进行评估作为无铅替代方案，大多数大型跨国公司也开始对Sn/Ag/Cu合金作初步高级测试。同时针对Sn/Ag和 Sn/Ag/Cu合金开发了一种新的助焊剂，以便在更高回流焊温度下得到较好的润湿效果，因为回流焊温度较高时（比常规回流焊温度最少要高20℃左右）要求助焊剂中
的活性剂应具备更高的热稳定性。这种助焊剂对高温要有很强的承受能力。
即将96.5Sn/3.0Ag/0.5Cu或97Sn/3Ag合金与适宜的助焊剂配合使用，是一个实际可行的标准无铅回流焊接工艺。
4．无铅焊接工艺对波峰焊设备的要求
冷却从温度T 32500C 降至温度T 460～800C ，建议按6～120C/S的降幅梯度控制；温度
曲线在时间上的要求主要是预热时间t 1、浸锡时间t 2、t 3及冷却时间t 4，这些时间
的具体数值的确定要考虑元器件、PCB 板的耐热性及焊锡的具体成份等多方面因素，通常t 1在1分钟左右，t 2+t3在3～4S 之间。
上述参数要求对波峰焊接设备各相关部件提出了比有铅焊更高的要求：
A 、为了在有限的预热时间t 1里达到预热温度T 1+△T 1而不造成温度冲击，根据
国外的研究报告和日东实验比较，
建议采用：
1、PID 模拟量+远红外线辐射（菲利浦射灯+特种玻璃）加热方式+模
拟量调压方式；
2、热风方式。
这种两种预热方式可获得较佳的预热曲线；
B 、为达到温度T 3±20C ，建议采用间接加热方式+PID模拟量控制方式（传统的
直接加热方式很难做到±20C 的均匀度）。
C 、温度△T2优化值的获得，一般主要通过缩短两波峰的间距来实现，但两距离的缩短不是越短越好，同时还要考虑两波峰的波形不能干涉，并且第二波峰的高度不得小于6～8mm 以确保锡液对PCB 的板面压力。
日东公司通过与日本松下株式会社的合作，针对上述特性开发出适合无铅要求的专用型双波峰焊机SA-3JS ，并已被松下、SONY 、东芝、先锋、嘉财等公司认可和采用。该机型主要配置是L1200mm 长的专用远红外预热器；间接加热特种材料的锡炉和强制冷却系统；人机界面控制系统和PID 模拟量控制方式。
日东公司研制SA 系列无铅波峰焊已完全符合无铅焊接要求，在一些方面已达到国际领先技术水平，推向市场后受到日本一些知名公司的信赖，台湾及国内一些导入无铅化制程的公司在向日东公司采购同时共同探讨无铅焊接工艺。
日东公司是一家具有十八年波峰焊发展历史的公司，作为一家上市公司，同时又是高新技术企业。有实力，有责任承担起无铅焊接的研究开发，以回报十八年来支持日东公司的客户以及业内同仁，为世界环保事业作出贡献！
5.
6、无铅焊接工艺对PCB 板工艺要求及其它。
由于无铅焊料的成份特殊，对PCB 板制作工艺的要求也相对提高：PCB 板及元器件的材质要求耐热性更好，同时PCB 和元器件脚的材质必须在高温焊接时不被焊锡腐蚀，并且元器件脚材料的基本成份应与焊锡成份相一致等等。
7、无铅焊料焊接缺陷
1．冷却速度的问题
快速冷却可以细化晶粒，提高焊点的强度，但是快速冷却带来了一个问题，容易产生气孔，降低焊点的强度，而且快速冷却使焊点的内应力增大，容易导致焊点失效。
LIFTING OFF (剥离) （ 锡须）
2． 润湿不良在焊接作业中是不能被接受的，它严重地降低了焊点的“耐久性”和“延伸性”，同时也降低了焊点的“导电性”及“导热性”。其产生的原因及解决的办法：
1）PCB 和元件被外界污染物污染，这些污染物包括油、漆、脂等。这些污染物可通过适当的清洗方式清除，可选择用清洗剂清洗。
2）PCB 及元件严重氧化。可采用活性较强的助焊剂焊接作业或清洗铜箔表面、元件端线。同时避免PCB 及元件长期存放。
3）助焊剂可焊性差。研究助焊剂有无问题和助焊剂是否变质。另外，助焊剂涂覆不均匀，同样容易造成润湿不良。
4）通过对实验板的分析，当其它工艺参数不变的情况下，N2保护环境下能够大大提高合金焊料的润湿性。通过对实验板的显微镜观察，在N2环境下焊接的实验板不存在焊盘的润湿不良现象。
3．填充不足
在设计插件元件焊盘时，焊盘尺寸设计应合适。焊盘太大，焊料铺展面积较大，形成焊点不饱满，而较小的焊盘铜箔表面张力太小，形成的焊点为不浸润焊点。当孔径比引线宽0.05-0.2mm ，焊盘直径为孔径的2-2.5倍时，是焊接比较理想的条件。我们从PCB 的焊点设计可以看出，通孔直径为0.8mm ，引线直径为0.6mm ，其中的间隙是容许的最大间隙，在焊接过程中由于间隙太大导致填充不足。另外，PCB 通孔内壁没有镀层，焊料不可能润湿内壁，液态焊料在润湿焊点时，外部表面张力大，焊点中心表面张力小，导致焊料向焊盘周围移动，导致通孔填充不足，如图3所示。
（a ） （b ）焊点不足
焊点内的气孔
4．气孔
形成气孔的原因可能是PCB 或元器件放置时间过长，造成受潮，也有可能是预
热温度不够，没有蒸发掉助焊剂或焊盘上的水分，在焊接过程中造成气孔的形成。
从实验板的分析可知，此种气孔的数量较少，而且尺寸较少，不会影响到接头的可靠性。
8．缺陷解决方案
1．从实验板的分析可知，采用氮气保护相对于空气环境下的焊接，其缺陷率要大大减少，从而证实氮气保护可以大大提高PCB 的焊接质量；
2．分析PCB 或试验引线是否防止时间过长，造成表面氧化过深，使可焊性下降；
3．分析助焊剂是否失效，从而造成焊接过程中的桥连、润湿不良等焊接缺陷；
4．预热温度是否过高，适当降低预热温度，桥连、润湿不良等焊接缺陷可能会大大减少，预热温度应根据助焊剂的要求设定，一般无铅焊接的预热温度在110-130左右；
5．确定焊接温度是否正常，温度过低，相应会导致焊料的流动性不良，造成焊接缺陷，一般锡炉温度在250-265之间；
6．波峰高度是否适宜，当波峰高度太大时，其与PCB 接触时的波峰温度会降低，而且焊料易氧化，造成焊接缺陷；
7．PCB 与波峰的接触时间是否合理，如果接触时间太短，容易造成填充不足、焊点结合强度不够、虚焊等。
由于波峰焊接过程是一个复杂的过程，影响焊接质量的因素有很多，对于每一种焊接缺陷，应根据实际情况确定是出于何种控制因素，因而找到相应的解决办法。本分析报告是根据缺陷的形成机理，列出了产生缺陷的种种原因，如果要减少甚至消除这些焊接缺陷，须根据实际操作过程，改变适当的工艺参数。
日东公司无铅焊接研发中心
无铅焊接工艺技术
1．无铅焊接技术的发展趋势
在传统的电子产品焊接工艺中，普遍都是使用含铅焊料，以至于大量的铅毒 存在于我们日常使用的电子产品中。由于铅及其化合物属剧毒物质，容易污染地下水及土壤，给人类的生存环境带来严重危害，特别是对儿童的脑发育。随着电子工业的快速发展，被废弃的电器制品将逐年增多，电子工业中电路板焊接使用的焊料几乎都含有铅。其污染地下水和土壤，成为环境问题，近年来已引起人们的特别关注，特别是在发达国家。
（1）欧洲议会决议： 欧洲电子工业计划在2004年1月全面禁止含铅焊料的使用，在公元2004年欧美将全力导入无铅锡膏的制程。
（2）日本ＮＥＣ、SONY 、松下、富士通、东芝等大型电子厂家在公元2000年已开始导入无铅锡膏的制程。
（3）在中国，由于很多电子厂家是做欧美及日本的OEM 订单，越来越多地被他们的客户要求使用无铅焊料。
（4）同时更多的公司在申请ISO14000认证时，都被要求使用对环境无害的原料和技术。
（5）在环境保护这个大前提下，法规和市场因素将起着更直接的作用。中国在加入WTO 以后，也必将响应、加强世界环保条约。
因此，出于对环保的考虑，铅在21世纪将被严格限用。未来的市场发展趋势是使用含铅焊料的电子产品将无法进入国际市场。对于电子组装企业来说，无铅焊接技术的应用已经是摆在面前必须解决的现实问题。
2．无铅焊接技术的工艺特点
无铅焊接工艺与传统Sn-Pb 合金焊接工艺不同。如熔点在183℃的Sn/Pb含铅 焊料，其完全液化温度在205~215℃之间；一般PCB 允许的最高温度在230~240℃。
采用无铅焊接工艺，因所使用的无铅焊料（目前已开发出来的）大多数合金熔点比传统的63Sn37Pb 合金高40℃左右，熔点温度在195℃~227℃之间，完全液化
温度在240℃~250℃之间，这就意味着回流焊必须在更高的温度下进行；而PCB 允许的最高温度必须保持不变，否则会超过PCB 的材质许可温度（240℃），使PCB 损坏。
3．无铅焊接工艺对回流焊设备的要求
无铅回流焊接要求PCB 上元件脚与PCB 板面的温差△T 只有5~15℃，工艺余 量较小且需保持液化时间较长（达60～90s ），焊接时间较长，对温度均匀性要求更高。传统含铅焊料保持液化时间为40~60s，另外大多数无铅焊料浸润性较含铅焊料差。对熔融温度高的无铅焊料，焊接中要获得合格的接合点，必须提高焊接操作温度，在设定焊接温度时，同时又要考虑到贴装元件的耐热性、基板的受热变形因素避免由于温度不足发生的焊接不良。
无铅焊接在回流焊上的应用如果只是将现有回流焊温度设高，会导致PCB 及PCB 上的部分元件因温度过高而烧坏，因此必须保持PCB 上所有部位的温度尽可能一致，板上各元件的△T （温差）尽可能小，这就要求炉膛内的温度分布要十分均匀，且加热效率要非常高。
针对无铅焊接的特殊工艺要求，日东公司对回流焊设备目前的解决办法是：（1）通过具有日东专利技术的增压式加热设计使各温区的温度场更均匀一致；（2
）采用
双面加热的方式，在炉膛内形成双回流区，提高加热效率；（3）针对无铅焊料焊接温度高、时间长、焊点容易氧化且浸润性变差等特点，配有惰性气体保护装置，在惰性气体环境下进行焊接。
a. 在回流焊中使用惰性气体保护，由于价格方面的考虑，一般都是选择氮气。氮气回流焊具有以下优点：
（1） 防止和减少氧化。
（2） 提高焊接润湿力，加快润湿速度。
（3） 减少锡球的产生，避免桥接，得到良好的焊接质量。
如使用更低活性助焊剂的锡膏，对提高焊点的性能、减少基材的变色会更有帮助，只是成本要有明显的增加。因为要使炉内达到1000PPM 与50PPM 的含氧量，对氮气的需求是有天壤之别的。
b . 无铅回流焊用焊锡膏的选择要求：
无铅焊锡膏的液相温度应低于回流焊接时的极限温度。人们普遍认为合金回 流焊温度越接近220℃效果越好，能避免出现较高回流焊温度是最理想不过的。因为这样能使元件的受损程度降到最低，最大减小对特殊元件的要求，同时还能将电路板变色和发生翘曲的程度降到最低，并避免焊盘和导线过度氧化。
因为金属成本在回流焊使用的焊锡膏制造流程总成本中所占比重较少，选择焊锡膏的主要要求是尽量降低回流焊温度。
经过试验，在所选替代Sn/Pb合金的方案中96.5Sn/3.0Ag/0.5Cu(熔点217~219℃) 和97Sn/3Ag（熔点221℃）液相温度最低，是目前无铅回流焊推荐使用的焊锡膏。这两种合金都是较为合适的选择并各具特点，相比之下96.5Sn/3.0Ag/0.5Cu合金的液相温度更低（虽然只低4℃），而Sn/Ag合金则表现出更强的一致性和可重复制造性，并已在电子业界应用多年，一直保持很好的可靠性。有些主要跨国公司已经选择共晶Sn/Ag合金进行评估作为无铅替代方案，大多数大型跨国公司也开始对Sn/Ag/Cu合金作初步高级测试。同时针对Sn/Ag和 Sn/Ag/Cu合金开发了一种新的助焊剂，以便在更高回流焊温度下得到较好的润湿效果，因为回流焊温度较高时（比常规回流焊温度最少要高20℃左右）要求助焊剂中
的活性剂应具备更高的热稳定性。这种助焊剂对高温要有很强的承受能力。
即将96.5Sn/3.0Ag/0.5Cu或97Sn/3Ag合金与适宜的助焊剂配合使用，是一个实际可行的标准无铅回流焊接工艺。
4．无铅焊接工艺对波峰焊设备的要求
冷却从温度T 32500C 降至温度T 460～800C ，建议按6～120C/S的降幅梯度控制；温度
曲线在时间上的要求主要是预热时间t 1、浸锡时间t 2、t 3及冷却时间t 4，这些时间
的具体数值的确定要考虑元器件、PCB 板的耐热性及焊锡的具体成份等多方面因素，通常t 1在1分钟左右，t 2+t3在3～4S 之间。
上述参数要求对波峰焊接设备各相关部件提出了比有铅焊更高的要求：
A 、为了在有限的预热时间t 1里达到预热温度T 1+△T 1而不造成温度冲击，根据
国外的研究报告和日东实验比较，
建议采用：
1、PID 模拟量+远红外线辐射（菲利浦射灯+特种玻璃）加热方式+模
拟量调压方式；
2、热风方式。
这种两种预热方式可获得较佳的预热曲线；
B 、为达到温度T 3±20C ，建议采用间接加热方式+PID模拟量控制方式（传统的
直接加热方式很难做到±20C 的均匀度）。
C 、温度△T2优化值的获得，一般主要通过缩短两波峰的间距来实现，但两距离的缩短不是越短越好，同时还要考虑两波峰的波形不能干涉，并且第二波峰的高度不得小于6～8mm 以确保锡液对PCB 的板面压力。
日东公司通过与日本松下株式会社的合作，针对上述特性开发出适合无铅要求的专用型双波峰焊机SA-3JS ，并已被松下、SONY 、东芝、先锋、嘉财等公司认可和采用。该机型主要配置是L1200mm 长的专用远红外预热器；间接加热特种材料的锡炉和强制冷却系统；人机界面控制系统和PID 模拟量控制方式。
日东公司研制SA 系列无铅波峰焊已完全符合无铅焊接要求，在一些方面已达到国际领先技术水平，推向市场后受到日本一些知名公司的信赖，台湾及国内一些导入无铅化制程的公司在向日东公司采购同时共同探讨无铅焊接工艺。
日东公司是一家具有十八年波峰焊发展历史的公司，作为一家上市公司，同时又是高新技术企业。有实力，有责任承担起无铅焊接的研究开发，以回报十八年来支持日东公司的客户以及业内同仁，为世界环保事业作出贡献！
5.
6、无铅焊接工艺对PCB 板工艺要求及其它。
由于无铅焊料的成份特殊，对PCB 板制作工艺的要求也相对提高：PCB 板及元器件的材质要求耐热性更好，同时PCB 和元器件脚的材质必须在高温焊接时不被焊锡腐蚀，并且元器件脚材料的基本成份应与焊锡成份相一致等等。
7、无铅焊料焊接缺陷
1．冷却速度的问题
快速冷却可以细化晶粒，提高焊点的强度，但是快速冷却带来了一个问题，容易产生气孔，降低焊点的强度，而且快速冷却使焊点的内应力增大，容易导致焊点失效。
LIFTING OFF (剥离) （ 锡须）
2． 润湿不良在焊接作业中是不能被接受的，它严重地降低了焊点的“耐久性”和“延伸性”，同时也降低了焊点的“导电性”及“导热性”。其产生的原因及解决的办法：
1）PCB 和元件被外界污染物污染，这些污染物包括油、漆、脂等。这些污染物可通过适当的清洗方式清除，可选择用清洗剂清洗。
2）PCB 及元件严重氧化。可采用活性较强的助焊剂焊接作业或清洗铜箔表面、元件端线。同时避免PCB 及元件长期存放。
3）助焊剂可焊性差。研究助焊剂有无问题和助焊剂是否变质。另外，助焊剂涂覆不均匀，同样容易造成润湿不良。
4）通过对实验板的分析，当其它工艺参数不变的情况下，N2保护环境下能够大大提高合金焊料的润湿性。通过对实验板的显微镜观察，在N2环境下焊接的实验板不存在焊盘的润湿不良现象。
3．填充不足
在设计插件元件焊盘时，焊盘尺寸设计应合适。焊盘太大，焊料铺展面积较大，形成焊点不饱满，而较小的焊盘铜箔表面张力太小，形成的焊点为不浸润焊点。当孔径比引线宽0.05-0.2mm ，焊盘直径为孔径的2-2.5倍时，是焊接比较理想的条件。我们从PCB 的焊点设计可以看出，通孔直径为0.8mm ，引线直径为0.6mm ，其中的间隙是容许的最大间隙，在焊接过程中由于间隙太大导致填充不足。另外，PCB 通孔内壁没有镀层，焊料不可能润湿内壁，液态焊料在润湿焊点时，外部表面张力大，焊点中心表面张力小，导致焊料向焊盘周围移动，导致通孔填充不足，如图3所示。
（a ） （b ）焊点不足
焊点内的气孔
4．气孔
形成气孔的原因可能是PCB 或元器件放置时间过长，造成受潮，也有可能是预
热温度不够，没有蒸发掉助焊剂或焊盘上的水分，在焊接过程中造成气孔的形成。
从实验板的分析可知，此种气孔的数量较少，而且尺寸较少，不会影响到接头的可靠性。
8．缺陷解决方案
1．从实验板的分析可知，采用氮气保护相对于空气环境下的焊接，其缺陷率要大大减少，从而证实氮气保护可以大大提高PCB 的焊接质量；
2．分析PCB 或试验引线是否防止时间过长，造成表面氧化过深，使可焊性下降；
3．分析助焊剂是否失效，从而造成焊接过程中的桥连、润湿不良等焊接缺陷；
4．预热温度是否过高，适当降低预热温度，桥连、润湿不良等焊接缺陷可能会大大减少，预热温度应根据助焊剂的要求设定，一般无铅焊接的预热温度在110-130左右；
5．确定焊接温度是否正常，温度过低，相应会导致焊料的流动性不良，造成焊接缺陷，一般锡炉温度在250-265之间；
6．波峰高度是否适宜，当波峰高度太大时，其与PCB 接触时的波峰温度会降低，而且焊料易氧化，造成焊接缺陷；
7．PCB 与波峰的接触时间是否合理，如果接触时间太短，容易造成填充不足、焊点结合强度不够、虚焊等。
由于波峰焊接过程是一个复杂的过程，影响焊接质量的因素有很多，对于每一种焊接缺陷，应根据实际情况确定是出于何种控制因素，因而找到相应的解决办法。本分析报告是根据缺陷的形成机理，列出了产生缺陷的种种原因，如果要减少甚至消除这些焊接缺陷，须根据实际操作过程，改变适当的工艺参数。
日东公司无铅焊接研发中心